RANCANG-BANGUN SISTEM FLIGHT-RECORDER SEDERHANA
UNTUK PELUNCURAN ROKET
Wahyu Widada
Pcncliti Bidang Kendali, Tekwagan, LAPAN ABSTRACT
In t h e rocket launch campaign, t h e telemetry system is very important system in order to send various d a t a from the sensor to the base-station. However t h e signal of telemetry is not u s u a l l y in good condition, a n d the d a t a is very difficult to analyze. In this paper described the method to b a c k u p the sensor d a t a by u s e of flight-recorder. It w a s very useful if t h e recovery of payload was successful, a n d t h e d a t a flight can be
analyze. The system u s e d 2-wire serial eeprom with 131.071 byte of memory a n d 6 input for analog c h a n n e l s . The speed recording was 10 rns or 100 d a t a per second
ABSTRAK
P a d a setiap p e l u n c u r a n roket m e m e r l u k a n sistem telemetri payload u n t u k mengjrim d a t a - d a t a sensor ke s ta s iu n penerima. Akan tetapi k a d a n g d a t a yang terkirim u d a k b a g u s , k a r e n a k u a l i t a s signal telemetri yang k u r a n g s e m p u r n a . Sehingga d a t a
payload t e r s e b u t sulit u n t u k d a p a t dianalisa. Untuk menyimpan d a t a sebagai backup,
dalam tulisan ini menjelaskan p e m b u a t a n alat perekam {flight recorder) d a t a u n t u k sensor payload tersebut. Sehingga apabila sistem recoveri berhasil, d a t a y a n g d a p a t diambil d a n dianalisa lebih a k u r a t . Sistem ini m e n g g u n a k a n 2-wire serial eeprom berkapasitas 131.072 byte dengan i n p u t dapat b e r u p a digital m a u p u n analog 6 kanal. Kecepatan m a k s i m a l p e n y i m p a n a n adalah 10 ms a t a u 100 d a t a tiap detik
1 PENDAHULUAN
Pengembangan payload pengindera dinamik roket t e r u s ditingkatkan u n t u k menganalisa performance roket. Terutama
p a d a sub-sistem telemetri, yang selama ini masih m e r u p a k a n k e n d a l a u t a m a dalam pengiriman d a t a ke s ta s iun pengamat. Sebagai backup d a t a , seperti
pesawat terbang y a n g j u g a m e m p u n y a i perekam d a t a y a n g d i n a m a k a n kotak-hitam, m a k a d a l a m setiap peluncuran roket j u g a sangat perlu dilengkapi sebuah
flight-recorder y a n g d a p a t menyimpan
d a t a - d a t a y a n g d i b u t u h k a n u n t u k analisa t e r b a n g roket.1* D a t a tersebut
d a p a t b e r u p a d a t a GPS, accelerometer, gyroscope, t e m p e r a t u r e , tekanan, dan Iain-lain. T e r u t a m a d a t a accelerometer dan gyroscope, s a n g a t diperlukan data secara kontinyu u n t u k keperluan proses selanjutnya seperti perhitungan kecepatan, d a n posisi, u n t u k memperoleh data translasi dan rotasi. Memori d a t a dapat
b e r u p a serial eeprom, parallel eeprom, a t a u d a p a t b e r u p a hardisk, t e r g a n t u n g u k u r a n roket d a n misi peluncuran. Untuk roket y a n g tergolong kecil dan waktu p e l u n c u r a n tidak terlalu lama (kurang lebih 10 menit), dengan serial eeprom sudah cukup u n t u k diaplikasikan.
Tulisan ini m e m b a h a s rancang-bangun recorder u n t u k d a t a - d a t a sensor dinamik payload seperti GPS dan accelero-meter. Hardware sistem ini berbasis microcontroller 8 bit dengan serial eeprom 1 Mbit. Sistem telah berhasil diuji laboratorium, serta s u d a h dilun-c u r k a n dalam p e l u n dilun-c u r a n roket di Pandanwangi J a w a Timur. U n t u k merekam d a t a GPS memerlukan 36 byte memori setiap detik, sehingga m a m p u menyimpan sampai kira-kira s a t u j a m . U n t u k menyimpan d a t a accelerometer
100 d a t a / d e t i k m a m p u dalam w a k t u 21 menit, sehingga sistem ini c u k u p u n t u k misi peluncuran roket hingga selesai.
2 RAN CAN G BANGUN SISTEM 2 . 1 S i s t e m Perangkat Keras
Konfigurasi hardware flight-recorder u n t u k sensor gerak dinamik s e b u a h roket adalah seperti p a d a G a m b a r 2 - 1 . Sistem ini terdiri dari CPU pemroses d a t a d a n memori u n t u k menyimpan. CPU d a p a t mengambil data, menyimpan, dan dapat p u l a mengirim ke s e b u a h computer melalui serial kabel setelah dilakukan recovery. CPU m e n g g u n a k a n m i c r o c o n t r o l l e r 8-bit RISC (clock 3686400 Hz) dengan spesifikasi seperti pada Table 2-1 di bawah. Memori meng-gunakan 2-wire serial eeprom dengan kapasitas 1Mbit dengan kecepatan maksimal penulisan 10 ms.2) Memori ini
d a p a t t a m b a h s e c a r a seri maksimal 2 b u a h (2 Mbit), j u g a t e r g a n t u n g j e n i s memori yang dipakai. Kecepatan transfer
download 9600 kbps, disesuaikan dengan
kecepatan b a c a p a d a eeprom. I n p u t d a t a dapat b e r u p a analog (0-5V) 6 kanal dan 14 k a n a l digital i n p u t yang c u k u p u n t u k memproses beberapa sensor payload y a n g dipasang.
Gambar 2 - 1 : S k e m a sistem konfigurasi hardware flight-recorder Prototype h a r d w a r e yang telah d i b u a t terlihat p a d a Gambar 2-2. Ukuran dimensi lebar kira-kira sebesar
koin 500 rupiah dengan panjang tiga kalinya.
Gambar 2-2: Prototype hardware
flight-recorder, dengan u k u r a n
y a n g c u k u p kecil (CPU AT90 S4433, EEPROM AT24C1024)
Tabel2-l:CONTOH BAHAN SISTEM FLIGHT-RECORDER
P e m a s a n g a n d a t a recorder p a d a sistem payload. Secara parallel, o u t p u t dari accelerometer d i h u b u n g k a n ke
recorder. Power supply +5 V diambil dari
CPU u n t u k telemetri k a r e n a k o n s u m s i daya yang d i b u t u h k a n relatif kecil, sehingga lebih s e d e r h a n a dalam pemasangan. Konsumsi a r u s u n t u k eeprom adalah maximal 5 mA, u n t u k CPU adalah 3.4 mA, sehingga total a r u s yang diperlukan adalah k u r a n g dari 10 mA. Misalnya, u n t u k aplikasi mini d a t a
logger dengan m e n g g u n a k a n baterai
alkaline 9 V, 2300 mAh d a p a t digunakan kira-kira 9 hari s e c a r a t e r u s m e n e r u s . U n t u k aplikasi GPS-logger, a r u s yang diperlukan adalah sekitar 250 mA dengan l a m a waktu kira-kira 6 j a m pemakaian.
Gambar 2-3:Gambar h a r d w a r e flight-recorder d i p a s a n g p a d a payload roket diameter 10 cm
2 . 2 S i s t e m P e r a n g k a t Lunak 2 . 2 . 1 GPS flight-recorder
Data GPS y a n g sering disebut dengan format NMEA terdiri dari format GPRMC, GPGGA d a n Iain-lain. Secara u m u m algoritma penyimpanan data seperti Gambar 2-4.
G a m b a r 2 - 4 : S k e m a algoritma GPS d a t a logger.
Contoh data dengan format GPGGA a d a l a h seperti p a d a G a m b a r 2-5, yang terdiri dari data waktu, posisi, ketinggian, d a n Iain-lain. Besar d a t a adalah 65 byte,
sehingga tiap detik pengambilan data dapat merekam selama 33 menit.
$GPGGA,015916.47,4034.7763,N,07836.4254, W, 1,05,2.4,00584 ,M„„*3B G a m b a r 2-5:Contoh d a t a GPS format GPGGA. U n t u k m e n g h e m a t k ap as i t a s memori, m a k a d a t a GPS t e r s e b u t dipilih y a n g diperlukan saja. Sehingga d a t a y a n g a k a n disimpan adalah dengan format seperti p a d a G a m b a r 2-6, yang terdiri dari w a k t u , lintang, bujur, dan ketinggian dengan j u m l a h total 36 byte menjadi setengahnya, serta l a m a penyimpanan kira-kira 1 j a m .
$GPS,015916.47,4034.7764,07836.4245,00584,M Gambar 2-6: Contoh format d a t a GPS
yang disimpan dalam eeprom.
Grafik h u b u n g a n a n t a r a j e d a w a k t u p e n y i m p a n a n d a n l a m a waktu pakai adalah p a d a G a m b a r 2-7. Terlihat a n t a r a detik d a n j a m a n t a r a k e d u a n y a b e r h u b u n g a n linear. 20 30 40 Jeda (Detik) Gambar 2-7: H u b u n g a n a n t a r a j e d a w a k t u s i m p a n dengan lama w a k t u u n t u k menyimpan d a t a GPS.
2 . 2 . 2 Accelerometer data recorder Data accelerometer yang a k a n direkam adalah 2-axis, dengan kecepatan
masing-masing s u m b u memperoleh alokasi 50 d a t a tiap detik. D a t a direkam secara bergantian dengan 8 byte, sehingga u n t u k m e m b a c a kembali d a t a dengan alamat u r u t a n ganjil u n t u k d a t a salah s a t u s u m b u , dan d a t a dengan a l a m a t genap u n t u k s u m b u y a n g lain. Data dari ADC adalah 10 bit, sementara pemrogram-a n dpemrogram-alpemrogram-am penulispemrogram-an h pemrogram-a n y pemrogram-a d pemrogram-a p pemrogram-a t dpemrogram-alpemrogram-am 8 bit. Data d a p a t ditulis menjadi 10 bit dengan alokasi d a t a 8 x 2 bit, sehingga u n t u k m e n g h e m a t memori d a n mem-p e r t a h a n k a n k e c e mem-p a t a n m e n u l i s d a t a dirubah menjadi 8 bit dengan membagi 4. Akurasi d a t a sedikit m e n u r u n t e r u t a m a p a d a nilai y a n g t a k h a b i s dibagi 4, maksimal p e n u r u n a n a k u r a s i d a t a dari
10 ke 8 bit a d a l a h sekitar 1 %. Algoritma penyimpanan d a t a adalah seperti p a d a G a m b a r 2-8.
Gambar 2-8: S k e m a algoritma d a t a logger accelerometer
2 . 2 . 3 Software download data
Software download data adalah
seperti p a d a G a m b a r 2-9. Dalam contoh ini adalah d a t a GPS, yang d a p a t secara langsung ditampilkan d a t a posisi p a d a s e b u a h peta digital. Kecepatan transfer d a t a d a p a t d i r u b a h sampai dengan
115.2 k b p s . Akan tetapi k a r e n a proses p e m b a c a a n d a t a dari eeprom di setting 1 m s , m a k a dengan kecepatan 9600 bps s u d a h c u k u p cepat. Software ini dibuat dengan b a h a s a Visual Basic dengan kombinasi grafik p e m e t a a n secara vektor, sehingga d a p a t digunakan u n t u k aplikasi tracking secara pasif u n t u k objek bergerak lainya.
Gambar 2-9:Gambar software u n t u k download d a t a GPS
3 PENGUJIAN SISTEM 3 . 1 GPS data logger
Sistem u n t u k menguji perekaman d a t a GPS telah dilakukan, contoh d a t a yang diambil dan ditampilkan adalah seperti p a d a Gambar 3 - 1 . $GPS,064333.000,0816.2853,11313.1569„M $GPS,064334.000,0816.2853,11313.1569„M $GPS,064335.000,0816.2853,11313.1569„M $GPS>064336.000,0816.2853,11313.1569„M $GPS,064337.000,0816.2853,11313.1569„M
Gambar 3 - 1 : Contoh rekonstruksi d a t a GPS
Data rekpnstruksi data GPS ditampilkan seperti pada Gambar 3-2. Posisi dalam percobaan adalah sewaktu mengadakan peluncuran roket di Pandanwangi Jawa Timur. Terlihat titik posisi pada base-station peluncuran.
Gambar 3-2:Contoh rekonstruksi data GPS dalam 2D visual grafik. 3.2 Accelerometer Data Logger
Sistem ini juga telah diuji dengan merekam data accelerometer yang telah dipasang pada sebuah model ayunan dengan bandul. Bandul digerakkan dengan frekuensi kira-kira 1.5 Hz. Sambil digerak-kan, data dari accelerometer direkam pada memori eeprom dengan kecepatan
10 ms selama kira-kira 10 detik. Setelah itu, data dibaca kembali dan ditampilkan pada sebuah komputer seperti terlihat pada Gambar 3-3.
Data terlihat agak kasar, hal ini disebabkan oleh output dari accelerometer tidak melalui lowpass filter, sehingga noise menjadi penyebabnya. Secara umum fenomena sinusoidal dengan frekuensi kira-kira 1.5 Hz dapat direkonstruksi dengan baik setelah data direkam terlebih dahulu.
Gambar 3-3-: Rekonstruksi data gerak pendulum dari accelerometer Sehingga apabila data rekorder ini dipasang untuk merekam data accelero-meter p a d a roket, d a p a t merekam amplitude dari vibrasi yang timbul, walaupun hanya mampu mendeteksi frekuensi rendah (max 50 Hz). Untuk memperoleh data amplitude yang lebih akurat adalah dengan menghitung dan mengambil nilai maksimal dan minimal terlebih dahulu dari sampling pada ADC, kemudian hasil tersebut yang disimpan. 4 KESIMPULAN
Prototype flight-recorder telah dibuat untuk peluncuran roket dengan input data b e r u p a data GPS dan
accelerometer. Hardware mempunyai
dimensi yang cukup kecil sehingga mudah untuk ditempatkan pada roket yang berukuran kecil. Kapasitas penyimpanan
1 Mbit yang cukup u n t u k menyimpan data sampai misi peluncuran berakhir.
Sistem ini akan lebih baik apabila dibuat dalam PCB dengan dua layer dengan wilayah grounding yang lebih banyak agar noise dan error yang mungkin timbul menjadi lebih sedikit. Kapasitas memori dapat dikembangkan menjadi 2Mbits untuk merekam lebih banyak data-data untuk analisa performance roket secara lebih lengkap.
DAFTAR RUJUKAN
http://home.iae.n1/users/aed/rdas/#oc
ket Data-Acquisition System R-DAS
website.
www.atmel.com, data sheet microcontroller
ATMEL 90S4433.pdf
www.atmel.com, data sheet serial EEPROM
ATMEL AT24C1024.pdf.
